Interferometer OPL 29

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1 Interferometer OPL 29 Material: 1 Interferometer nach Michelson DL408-2I 1 Rundfuß mit Klemmsäule DS100-1R Theoretische Grundlagen: Beim Interferometer nach Michelson wird das von der Lichtquelle L kommende Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel S 0 in zwei Teilbündel aufgeteilt, die nach der Reflexion an beiden Spiegeln S 1 und S 2 auf den Schirm S zur Überlagerung kommen. Als Licht wird das parallele Laserlicht, welches übergroße Kohärenzlänge aufweist, verwendet, sodass Interferenzen von praktisch beliebig hoher Ordnung nachzuweisen sind. Die Differenz der optischen Weglängen der interferierenden Strahlen kann wegen der großen Kohärenzlänge des Laserlichts sehr groß sein. Wird der Spiegel S mit Hilfe einer Mikrometerschraube um die Strecke d verschoben, so wechseln an jeder Stelle des Interferenzfeldes Maxima und Minima. Eine Periode entspricht einer Verschiebung des Spiegels um λ/2. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 29

2 Versuchsaufbau und Durchführung: Der Aufbau erfolgt gemäß der Abbildung. Der Laserstrahl wird so eingerichtet, dass er nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel normal auf den durch die Justierschrauben verstellbaren Spiegel auftrifft. Mit Hilfe der beiden Justierschrauben wird dieser so feinjustiert, dass zwei eventuell getrennte Lichtstrahlen (am Schirm als getrennte Punkte erkennbar) zur Deckung gebracht werden. Bei entsprechender Einstellung sind dann rote und schwarze konzentrische Kreise erkennbar. Durch langsames Drehen der Mikrometerschraube können diese Kreise, je nach Drehrichtung, konzentrisch heraus- oder hineinlaufen. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 29

3 Messung der Wellenlänge des Laserlichts OPL 30 Material: 2 Universalschiene, L=500 mm DS Gelenk mit Winkelskala DL150-2A 3 Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 40 mm DL Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 80 mm DL Plattenmuffe auf Stiel DS404-1M 1 Schirm "demo", transparent DL600-1S 1 Laser, 0,2/1,0 mw, linear polarisiert, modulierbar, magnethaftend DL100-3L 1 Halter für Bausteine "compact" DS617-1H 1 Ferntaster zu Stoppuhr inno DE722-1W DE722-2W 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = +20 mm DL500-0B 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = -30 mm DL500-2A 1 Interferometer nach Michelson DL408-2I Theoretische Grundlagen: Beim Interferometer nach Michelson wird das von der Lichtquelle L kommende Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel S 0 in zwei Teilbündel aufgeteilt, die nach der Reflexion an beiden Spiegeln S 1 und S 2 auf den Schirm S zur Überlagerung kommen. Als Licht wird das parallele Laserlicht, welches übergroße Kohärenzlänge aufweist, verwendet, sodass Interferenzen von praktisch beliebig hoher Ordnung nachzuweisen sind. Die Differenz der optischen Weglängen der interferierenden Strahlen kann wegen der großen Kohärenzlänge des Laserlichts sehr groß sein. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 30

4 Wird der Spiegel S mit Hilfe einer Mikrometerschraube um die Strecke d verschoben, so wechseln an jeder Stelle des Interferenzfeldes Maxima und Minima. Eine Periode entspricht einer Verschiebung des Spiegels um λ/2. Diese Beziehung erlaubt eine bequeme Bestimmung der Wellenlänge λ durch Abzählen der Wechsel und Messen der Verschiebungsstrecke d. Versuchsaufbau und Durchführung: Der Aufbau erfolgt gemäß der Abbildung. Der Laserstrahl wird so eingerichtet, dass er durch die Sammellinse + 20 mm aufgeweitet wird und nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel normal auf den durch die Justierschraunen verstellbaren Spiegel auftrifft. Mit Hilfe der beiden Justierschrauben wird dieser so feinjustiert, dass zwei eventuell getrennte Lichtstrahlen (am Schirm als getrennte Punkte erkennbar) zur Deckung gebracht werden. Bei entsprechender Einstellung sind dann rote und schwarze konzentrische Kreise erkennbar. Durch die Zerstreuungslinse -30 mm kann das Interferenzbild vergrößert dargestellt werden. Durch langsames Drehen der Mikrometerschraube können diese Kreise, je nach Drehrichtung, konzentrisch heraus- oder hineinlaufen. Die Untersetzung des die Spiegelfläche bewegenden Armes gegenüber dem Arm, an dem die Mikrometerschraube angreift beträgt 1 : 10. Messung der Wellenlänge λ des Laserlichts: Die Mikrometerschraube wird vorsichtig so gedreht, dass zb. In der Bildmitte maximale Aufhellung (roter Kreis) auftritt und die Position auf der Mikrometerschraube notiert. Nun wird die Mikrometerschraube in gleicher Drehrichtung solange weitergedreht bis zum 50. Mal wieder in der Mitte ein roter Kreis erscheint und die neue Position der Mikrometerschraube notiert. Durch Drücken des Stiftes am Ferntaster kann die optische Ausgangsleistung des Lasers von 0,2 mw auf 1 mw erhöht werden, wodurch der optische Eindruck des Experiments wesentlich gesteigert wird. Beispiel: Verschiebung der Mikrometerschraube für 50 Periodenwechsel: 16 Teilstriche 16 Teilstriche entsprechen 0,16 mm Untersetzung des Spiegelarms: 1: 10 Verschiebung des Spiegels: 0,016 mm = 1, mm = 1, m λ = 1, m , λ = = 6, m = m = 640 nm 50 Wellenlänge λ des Laserlichts laut Hersteller: 635 nm Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 30

5 Optischer Dopplereffekt OPL 31 Material: 2 Universalschiene, L=500 mm DS Gelenk mit Winkelskala DL150-2A 1 Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 40 mm DL Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 80 mm DL Laser, 0,2/1,0 mw, linear polarisiert, modulierbar, magnethaftend DL100-3L 1 Halter für Bausteine "compact" DS617-1H 1 Ferntaster zu Stoppuhr inno DE722-1W DE722-2W 1 Interferometer nach Michelson DL408-2I 1 Stativstange rund, L=150 mm, D=10 mm P7240-1F 1 Platte mit Muffe, einfach P1320-2P 1 Laser - Empfängereinheit, Set DL100-3R 1 Steckernetzgerät 12V/2A P3130-1P Theoretische Grundlagen: Der optische Dopplereffekt besagt, dass sich bei der Relativbewegung eines Beobachters zu einer Lichtquelle die Frequenz des beobachteten Lichts ändert. Die Größe der geänderten Frequenz f ist bei radialer Entfernung von Lichtquelle und Beobachter durch die Formel 1 v/c f = f bestimmt, wobei v die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden ist. (1 v² / c²) Für gegen die Lichtgeschwindigkeit kleine Geschwindigkeiten v gilt in erster Näherung die Formel f = f (1 v/c) Bei radialer Annäherung ist v negativ. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 31

6 Der optische Dopplereffekt äußert sich in einer Verschiebung der Spektrallinien nach rot bei Entfernung oder blau bei Annäherung von Beobachter und Lichtquelle. Fällt ein Laserstrahl auf den halbdurchlässigen Spiegel eines Michelsoninterferometers, wird er dort in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die nach Reflexion am Spiegel S 1 bzw. S 2 auf eine Fotodiode treffen und dort Interferenzerscheinungen zeigen. Wird der Spiegel S 2 mit der Geschwindigkeit v in Richtung des einfallenden Strahls bewegt, so bewegt sich das vom Spiegel S 2 erzeugte Bild der Lichtquelle mit der Geschwindigkeit 2 v von der Fotodiode weg. Dieses und das von S 1 erzeugte Spiegelbild stellen zwei mit der Geschwindigkeit 2 v voneinander. wegbewegende Lichtquellen dar. In der Fotodiode tritt eine Änderung der Beleuchtungsintensität mit der Schwebungsfrequenz f s = /f f / = (2 v/c) f auf. Soll der dadurch hervorgerufene Fotostrom nach Verstärkung in einem Lautsprecher hörbar gemacht werden, so braucht die Geschwindigkeit, mit der der Spiegel S 2 bewegt wird, nur etwa 1/10 mm pro Sekunde zu betragen, um einen Ton von 440 Hz zu erzeugen. Versuchsaufbau und Durchführung: Der Laserstrahl wird so eingerichtet, dass er nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel normal auf den durch die Justierschrauben verstellbaren Spiegel auftrifft. Der das Interferometer verlassende Laserstrahl trifft frontal auf die Fotodiode mit nachgeschaltetem Verstärker und Lautsprecher. Mit Hilfe der beiden Justierschrauben wird der eine Spiegel so feinjustiert, dass zwei eventuell getrennte Lichtstrahlen (in der Ebene der Fotodiode als getrennte Punkte erkennbar) zur Deckung gebracht werden. Bei entsprechender Einstellung sind dann rote und schwarze konzentrische Kreise erkennbar. Durch langsames Drehen der Mikrometerschraube können diese Kreise, je nach Drehrichtung, konzentrisch heraus- oder hineinlaufen. Die durch die wechselnde Beleuchtungsstärke in der Fotodiode hervorgerufene Wechselspannung wird mittels des NF-Verstärkers verstärkt (mittlere Verstärkung) und über den Lautsprecher hörbar gemacht. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 31

7 Optische Dichte in Luft Änderung durch Erwärmung OPL 32 Material: 2 Universalschiene, L=500 mm DS Gelenk mit Winkelskala DL150-2A 3 Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 40 mm DL Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 80 mm DL Plattenmuffe auf Stiel DS404-1M 1 Schirm "demo", transparent DL600-1S 1 Laser, 0,2/1,0 mw, linear polarisiert, modulierbar, magnethaftend DL100-3L 1 Halter für Bausteine "compact" DS617-1H 1 Ferntaster zu Stoppuhr inno DE722-1W DE722-2W 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = +20 mm DL500-0B 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = -30 mm DL500-2A 1 Interferometer nach Michelson DL408-2I 1 Rundfuß mit Klemmsäule DS100-1R 1 Heizwendel "inno" DE330-1H 1 Batterie schaltbar "inno" P3120-4B 2 Sicherheitsverbindungsleitung, schwarz, 25 cm DG Theoretische Grundlagen: Beim Interferometer nach Michelson wird das von der Lichtquelle L kommende Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel S 0 in zwei Teilbündel aufgeteilt, die nach der Reflexion an beiden Spiegeln S 1 und S 2 auf den Schirm S zur Überlagerung kommen. Als Licht wird das parallele Laserlicht, welches übergroße Kohärenzlänge aufweist, verwendet, sodass Interferenzen von praktisch beliebig hoher Ordnung nachzuweisen sind. Die Differenz der optischen Weglängen der interferierenden Strahlen kann wegen der großen Kohärenzlänge des Laserlichts sehr groß sein. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 32

8 Ändert sich in einem der Teilwege (S 0 S 1 oder S 0 S 2 ) die optische Dichte, so kommt es zu Änderung der Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilstrahlen und damit zur Änderung des Interferenzmusters am Schirm S. Versuchsaufbau und Durchführung: Der Aufbau erfolgt gemäß der Abbildung. Der Laserstrahl wird so eingerichtet, dass er durch die Sammellinse + 20 mm aufgeweitet wird und nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel normal auf den durch die Justierschrauben verstellbaren Spiegel auftrifft. Durch Drücken des Stiftes am Ferntaster kann die optische Ausgangsleistung des Lasers von 0,2 mw auf 1 mw erhöht werden, wodurch der optische Eindruck des Experiments wesentlich gesteigert wird. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 32

9 Optische Dichte Kohlendioxid OPL 33 Material: 2 Universalschiene, L=500 mm DS Gelenk mit Winkelskala DL150-2A 3 Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 40 mm DL Reiter für Optische Bank, Säulenhöhe: 80 mm DL Plattenmuffe auf Stiel DS404-1M 1 Schirm "demo", transparent DL600-1S 1 Laser, 0,2/1,0 mw, linear polarisiert, modulierbar, magnethaftend DL100-3L 1 Halter für Bausteine "compact" DS617-1H 1 Ferntaster zu Stoppuhr inno DE722-1W DE722-2W 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = +20 mm DL500-0B 1 Linse in Halter "demo", auf Stiel Fl = -30 mm DL500-2A 1 Interferometer nach Michelson DL408-2I 1 Druckgasdose, Stickstoff, 10 l C9010-2A 1 Feinregulierventil C9010-9A 1 Schlauch Silikon, 7/9 mm, L=100 cm C7445-7S Theoretische Grundlagen: Beim Interferometer nach Michelson wird das von der Lichtquelle L kommende Licht durch den halbdurchlässigen Spiegel S 0 in zwei Teilbündel aufgeteilt, die nach der Reflexion an beiden Spiegeln S 1 und S 2 auf den Schirm S zur Überlagerung kommen. Als Licht wird das parallele Laserlicht, welches übergroße Kohärenzlänge aufweist, verwendet, sodass Interferenzen von praktisch beliebig hoher Ordnung nachzuweisen sind. Die Differenz der optischen Weglängen der interferierenden Strahlen kann wegen der großen Kohärenzlänge des Laserlichts sehr groß sein. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 33

10 Ändert sich in einem der Teilwege (S 0 S 1 oder S 0 S 2 ) die optische Dichte, so kommt es zu Änderung der Phasenbeziehung zwischen den beiden Teilstrahlen und damit zur Änderung des Interferenzmusters am Schirm S. Versuchsaufbau und Durchführung: Der Aufbau erfolgt gemäß der Abbildung. Der Laserstrahl wird so eingerichtet, dass er durch die Sammellinse + 20 mm aufgeweitet wird und nach dem Durchgang durch den halbdurchlässigen Spiegel normal auf den durch die Justierschrauben verstellbaren Spiegel auftrifft. Mit Hilfe der beiden Justierschrauben wird dieser so feinjustiert, dass zwei eventuell getrennte Lichtstrahlen (am Schirm als getrennte Punkte erkennbar) zur Deckung gebracht werden. Bei entsprechender Einstellung sind dann rote und schwarze konzentrische Kreise erkennbar. Durch langsames Drehen der Mikrometerschraube können diese Kreise, je nach Drehrichtung, konzentrisch heraus- oder hineinlaufen. Durch die Zerstreuungslinse -30 mm kann das Interferenzbild vergrößert dargestellt werden. Die Rundküvette wird an der Grundplatte des Interferometers eingesetzt und über einen Schlauch mit der Laborgasflasche (zb. Kohlendioxid) verbunden. Das Interferenzmuster am Schirm wird beobachtet. Wird die Rundküvette mit Kohlendioxid gefüllt, so ändert sich das Interferenzmuster am Schirm, da sich die optische Dichte in einem Teilweg des Interferometers geändert hat. Durch Drücken des Stiftes am Ferntaster kann die optische Ausgangsleistung des Lasers von 0,2 mw auf 1 mw erhöht werden, wodurch der optische Eindruck des Experiments wesentlich gesteigert wird. Fruhmann Ges.m.b.H, Austria OPL 33